Цирконат-титанат свинца
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Титанат свинца-циркония | |
| Другие имена Титанат свинца-циркония | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| Информационная карта ECHA | 100.032.467 |
| Номер ЕС |
|
ПабХим CID | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| Pb[Zr x Ti 1− x ]O 3 (0 ≤ x ≤ 1) | |
| Молярная масса | от 303,065 до 346,4222 г/моль |
| Опасности | |
| СГС Маркировка : | |
   | |
| Опасность | |
| Х302 , Х332 , Х360 , Х373 , Х410 | |
| P201 , P202 , P260 , P261 , P264 , P270 , P271 , P273 , P281 , P301+P312 , P304+P312 , P304+P340 , P308+P313 , P312 , P314 , P330 , P391 , 405 , П501 | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Цирконат-титанат свинца , также называемый титанатом свинца-циркония и обычно сокращенно PZT , представляет собой неорганическое соединение с химической формулой Pb[Zr x Ti 1− x ]O 3 (0 ≤ x ≤ 1). . Это керамический перовскитный материал, который демонстрирует выраженный пьезоэлектрический эффект , то есть соединение меняет форму при приложении электрического поля. Он используется во многих практических приложениях, таких как ультразвуковые преобразователи и пьезоэлектрические резонаторы . Это твердое вещество от белого до почти белого цвета. [1]
Титанат свинца-циркония был впервые разработан примерно в 1952 году в Токийском технологическом институте . По сравнению с титанатом бария материалом на основе оксидов металлов , ранее обнаруженным пьезоэлектрическим , титанат свинца-циркония проявляет большую чувствительность и имеет более высокую рабочую температуру. Пьезоэлектрическая керамика выбрана для применения из-за ее физической прочности, химической инертности и относительно низкой стоимости производства. ЦТС-керамика является наиболее часто используемой пьезоэлектрической керамикой, поскольку она имеет еще большую чувствительность и более высокую рабочую температуру, чем другие пьезокерамики. [2] В последнее время наблюдается большой толчок к поиску альтернатив ЦТС из-за законодательства во многих странах, ограничивающего использование свинцовых сплавов и соединений в коммерческих продуктах.
Электрокерамические свойства
[ редактировать ]Будучи пьезоэлектриком, цирконат-титанат свинца создает напряжение (или разность потенциалов) на двух своих гранях при сжатии (полезно для датчиков) и физически меняет форму при приложении внешнего электрического поля (полезно для приводов). [3] Относительная диэлектрическая проницаемость цирконата-титаната свинца может находиться в диапазоне от 300 до 20 000, в зависимости от ориентации и легирования. [4]
Будучи пироэлектриком , этот материал создает разницу напряжений на двух своих гранях при изменении температурных условий; следовательно, цирконат-титанат свинца можно использовать в качестве датчика тепла. [5] Цирконат-титанат свинца также является сегнетоэлектриком , что означает, что он имеет спонтанную электрическую поляризацию ( электрический диполь ), которая может быть обращена вспять в присутствии электрического поля. [6]
Материал обладает чрезвычайно большой относительной диэлектрической проницаемостью на морфотропной фазовой границе (МПГ) вблизи x = 0,52. [7]
Некоторые составы являются омическими , по крайней мере, до 250 кВ/см ( 25 МВ/м ), после чего ток растет экспоненциально с напряженностью поля, прежде чем достичь лавинного пробоя ; но цирконат-титанат свинца демонстрирует диэлектрический пробой, зависящий от времени - пробой может произойти под напряжением постоянного напряжения через несколько минут или часов, в зависимости от напряжения и температуры, поэтому его диэлектрическая прочность зависит от шкалы времени, в которой она измеряется. [8] Другие составы имеют диэлектрическую прочность в диапазоне 8–16 МВ/м . [9]
Использование
[ редактировать ]
Материалы на основе цирконата-титаната свинца являются компонентами керамических конденсаторов и приводов СТМ / АСМ (трубок).
Цирконат-титанат свинца используется для изготовления ультразвуковых преобразователей и других датчиков и исполнительных механизмов , а также высококачественных керамических конденсаторов и FRAM чипов . Цирконат-титанат свинца также используется при производстве керамических резонаторов для эталонной синхронизации в электронных схемах. Противобликовые очки с ПЛЗТ защищают экипаж от ожогов и слепоты в случае ядерного взрыва. [10] Линзы PLZT могут стать непрозрачными менее чем за 150 микросекунд.
В промышленных масштабах его обычно не используют в чистом виде, а легируют либо акцепторами, создающими кислородные (анионные) вакансии, либо донорами, создающими металлические (катионные) вакансии и способствующие движению доменных стенок в материале. В общем, легирование акцептором создает твердый титанат цирконата свинца, а легирование донором создает мягкий титанат цирконата свинца. Твердый и мягкий цирконат-титанат свинца обычно различаются по пьезоэлектрическим константам. Пьезоэлектрические константы пропорциональны поляризации или электрическому полю, создаваемому на единицу механического напряжения, или, альтернативно, механической деформации, создаваемой на единицу приложенного электрического поля. В целом мягкий цирконат-титанат свинца имеет более высокую пьезоэлектрическую постоянную, но большие потери в материале из-за внутреннего трения . В твердом цирконате-титанате свинца движение доменной стенки закрепляется примесями, что снижает потери в материале, но за счет снижения пьезоэлектрической постоянной.
Разновидности
[ редактировать ]Одним из наиболее часто изучаемых химических составов является PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3 . Повышенный пьезоэлектрический отклик и эффективность поляризации вблизи x = 0,52 обусловлены увеличением количества допустимых доменных состояний в MPB. На этой границе 6 возможных доменных состояний из тетрагональной фазы ⟨100⟩ и 8 возможных доменных состояний из ромбоэдрической фазы ⟨111⟩ одинаково выгодны энергетически, тем самым допуская максимум 14 возможных доменных состояний. [11]
Подобно танталату свинца-скандия и титанату бария-стронция , цирконат-титанат свинца может быть использован для изготовления неохлаждаемых датчиков с матрицей наблюдения инфракрасных для термографических камер . как тонкие пленки (обычно получаемые методом химического осаждения из паровой фазы Используются ), так и объемные структуры. Формула используемого материала обычно приближается Pb 1,1 (Zr 0,3 Ti 0,7 )O 3 (называется цирконат-титанат свинца 30/70). Его свойства можно изменить путем легирования лантаном , в результате чего образуется легированный лантаном титанат свинца-циркония ( цирконат-титанат свинца , также называемый титанатом свинца-лантана-циркония ) с формулой Pb 0,83 La 0,17 (Zr 0,3 Ti 0,7 ) 0,9575 O 3 (цирконат-титанат свинца 17/30/70). [12] [13]
См. также
[ редактировать ]- Поливинилиденфторид (ПВДФ)
- Ниобат лития
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Грегг, Дж. Марти; Унру, Ханс-Гюнтер (2016). «Сегнетоэлектрики». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . стр. 1–26. дои : 10.1002/14356007.a10_309.pub2 . ISBN 978-3-527-30385-4 .
- ^ «Что такое «титанат свинца-циркония»?» . americanpiezo.com . АПК Интернешнл . Проверено 29 апреля 2021 г.
- ^ К., Стейнем; А., Яншофф (2005). Энциклопедия аналитической науки (2-е изд.). Эльзевир . стр. 269–276. дои : 10.1016/B0-12-369397-7/00556-2 . ISBN 978-0-12-369397-6 .
- ^ Кумари, Ниту; Монга, Шагун; Ариф, Модератор; Шарма, Нирадж; Сингх, Арун; Гупта, Винай; Виларинью, Паула М.; Шринивас, К.; Катияр, РС (30 января 2019 г.). «Высшая диэлектрическая проницаемость цирконата-титаната свинца, легированного никелем, Pb[(Zr0,52Ti0,48)(1-x)Nix]O3, керамика» . Керамика Интернешнл . 45 (4): 4398–4407. doi : 10.1016/j.ceramint.2018.11.117 .
- ^ Ф., Вуди; К., Сток; HJ, Горс (2009). «МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ | Электрохимические: Кварцевые микровесы». Энциклопедия электрохимических источников энергии . Эльзевир Наука . стр. 660–672. дои : 10.1016/B978-044452745-5.00079-4 . ISBN 978-0-444-52745-5 .
- ^ Перес-Томас, Амадор; Мингоранс, Альба; Таненбаум, Дэвид; Лира-Канту, Моника (2018), «Оксиды металлов в фотоэлектрической энергетике: полностью оксидные, ферроидные и перовскитные солнечные элементы» , Будущее полупроводниковых оксидов в солнечных элементах следующего поколения , Elsevier, стр. 267–356, doi : 10.1016 /b978-0-12-811165-9.00008-9 , ISBN 978-0-12-811165-9 , получено 29 апреля 2024 г.
- ^ Рукетт, Дж.; Хейнс, Дж.; Борнан, В.; Пинтард, М.; Папет, доктор философии; Буске, К.; Концевич, Л.; Горелли, ФА; Халл, С. (2004). «Настройка давления морфотропной фазовой границы в пьезоэлектрическом цирконате-титанате свинца». Физический обзор B . 70 (1): 014108. doi : 10.1103/PhysRevB.70.014108 .
- ^ Моаззами, Реза; Ху, Ченмин; Шеперд, Уильям Х. (сентябрь 1992 г.). «Электрические характеристики сегнетоэлектрических тонких пленок цирконата-титаната свинца для приложений DRAM» (PDF) . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 39 (9): 2044. дои : 10.1109/16.155876 .
- ^ Андерсен, Б.; Ринггаард, Э.; Бове, Т.; Альбареда, А.; Перес, Р. (2000). «Характеристики пьезоэлектрических керамических многослойных деталей на основе твердого и мягкого цирконата-титаната свинца» . Труды Actuator 2000 : 419–422.
- ^ Катчен, Дж. Томас; Харрис, Джеймс О. младший; Лагуна, Джордж Р. (1975). «Электрооптические жалюзи ПЛЗТ: применение» . Прикладная оптика . 14 (8): 1866–1873. дои : 10.1364/AO.14.001866 . ПМИД 20154933 .
- ^ Рао, Р. Гоури Шанкар; Канагатара, Н. (2015). «Цирконат-титанат свинца: пьезоэлектрический материал» (PDF) . Журнал химических и фармацевтических исследований . 7 (5): 921–923. ISSN 0975-7384 .
- ^ Лю, В.; Цзян, Б.; Чжу, В. (2000). «Самосмещенный диэлектрический болометр из эпитаксиально выращенных Pb(Zr,Ti)O 3 и легированных лантаном Pb(Zr,Ti)O 3 многослойных тонких пленок ». Письма по прикладной физике . 77 (7): 1047–1049. дои : 10.1063/1.1289064 .
- ^ Кабра, Хеманги; Деор, штат Ха; Пати, Пранита (2019). «Обзор современных пьезоэлектрических материалов (BaTiO3, PZT)» (PDF) . Журнал новых технологий и инновационных исследований . 6 (4). ISSN 2349-5162 .